肖　梅（西門子工廠自動化工程有限公司上海第一分公司,上海　200050）

冷軋五機架軋機張力控制和物流控制

肖梅
（西門子工廠自動化工程有限公司上海第一分公司,上海200050）

摘要：本文簡要介紹了串列冷軋機自動厚度控制中物流控制和張力調節(jié)系統(tǒng)的基本原理。為了保證物流平衡,自動厚度控制是以恒張力調節(jié)作為前提條件。重點介紹了擴展物流控制原理采用的控制模式以及張力閉環(huán)控制。

關鍵詞:物流控制原理; 恒張力;厚度控制;串列冷軋機

1　物流控制基本原理

1.1物流控制基本概念

首先介紹一下物流原理這個基本概念，即在任何時候，軋機機架輥縫入口的材料總量和輥縫出口的材料總量是相同的。入口側和出口側的材料量的計算取自板帶的橫斷面和速度。板帶寬度在機架入口和出口兩側幾乎是相同的，這樣就可以被忽略。因此，如下的關系式成立：

如果考慮厚度誤差，則：

這意味著每個機架的壓下量可以通過與下一機架的速度進行控制。機架速度主要由精確的速度控制確定。通過馬達速度控制軋輥速度。

輥縫的任何變化和任何厚度誤差都改變機架間的板帶張力。為了保持張力在允許的限制內。必須安裝機架間的張力控制。張力控制疊加到跟隨機架的液壓輥縫控制上。張力誤差被轉換成輥縫修正量。

在機架間是恒速關系時，應用物流控制原理意味著，厚度誤差的減少與所屬機架的厚度的壓下量相關。因此，第一機架的厚度控制是特別重要的。以便在第一機架后獲得穩(wěn)定的軋制條件。這對于實現(xiàn)最終公差是非常必要的。第一機架后的剩余誤差通過作用在第一機架和入口張緊裝置上的轉速控制來進一步改善。這就在第二機架后穩(wěn)速時產(chǎn)生一個穩(wěn)定的厚度。隨后機架以相應的固定速度關系降低厚度。

在擴展的物流控制原理中，新穎的是擴展物流原理到入口段,把它作為‘零機架’,具有零壓下量。這種思想已被廣泛應用于串列冷軋機控制技術。

擴展的物流控制原理要求速度控制環(huán)中控制入口張緊裝置的驅動和軋機機架的驅動都是高精度的和快速響應的。高動態(tài)性能的液壓輥縫控制被用于快速輥縫調整以補償厚度誤差。

擴展的物流控制原理是將恒定值原理擴展到軋機入口張緊裝置（或開卷機），視其為‘零機架’。測量的入口速度則作為一個閉環(huán)的實際值用于張緊裝置的速度控制。這樣在入口到軋機間測量的厚度誤差在它們到達軋機時能通過改變張緊裝置的速度和軋輥輥縫進行補償。不再要求有一個精確的輥縫計算。因入口張力控制器通過保持板帶張力恒定自動設定正確的輥縫。

由于機架前物流保持恒定。出口板帶將嚴格地與板帶速度成比例關系。因此,自動速度控制環(huán)越精確出口厚度誤差越小?；诟呔鹊臄?shù)字閉環(huán)控制,入口張緊裝置與機架間的速度關系將依據(jù)測量的厚度誤差修正。

板帶的前滑作為一個附加修正系數(shù)要加以考慮。前滑系數(shù)依賴于軋制速度。因此，對正常軋制條件前滑系數(shù)使用一個簡單的模型自適應，對低速軋制則主要依賴于速度和軋制力。

1.2物流控制模式和特點

反饋和前饋環(huán)構成了基本的擴展的物流控制原理.

例圖3：擴展的物流控制原理（AdvancedMassflowControl）

1.2.1前饋控制

在軋機入口使用測厚儀測量的厚度誤差通過第一機架的前饋控制被修正。前饋控制可以有效補償由于材料狀況和性能變化引起的厚度誤差。

前饋控制正確地補償入口厚度中的短時厚度誤差。它使用測厚儀測量未軋制的板帶的不規(guī)則誤差。并在板帶上施加一個相反的影響。

入口測厚儀和輥縫間的距離被分成幾段,在一個段上及相應的平均速度下厚度誤差被測量。這個段被存儲在一個移位存儲器中,隨著該段被傳送到輥縫。給執(zhí)行機構的相應的修正量按時施加。這意味著要考慮到執(zhí)行機構的響應時間和測厚儀的延遲時間對誤差段通過輥縫時的影響。

這就補償了不可避免的執(zhí)行機構的響應時間。如果前饋控制有足夠的分辨率和液壓輥縫控制足夠快的話輥縫也能夠快速跟隨厚度的變化。

控制觸發(fā)時的入口厚度作為設定值用于前饋控制。當觸發(fā)厚度控制時就產(chǎn)生一個誤差傳遞。

入口厚度誤差通過測厚儀h0被記錄并放置在緩沖存儲器并跟蹤到第一機架的輥縫。

已被跟蹤到第一機架的厚度誤差就被轉換成適當?shù)乃俣刃拚凳┘佑诘谝粰C架的入口張緊輥。這個修正值可以從下面的物流等式中獲得：

聯(lián)合上述兩個等式導出：

由于Δh0與h0比較是非常小的,所以：

式中：

h0=入口厚度

Δh0=入口厚度誤差

v0=入口板帶速度

v1=入口板帶速度誤差

圖例1：前饋控制環(huán)（FeedfowardControlLoop）

1.2.2反饋控制

反饋控制要達到要求的絕對出口厚度。

監(jiān)視厚度控制環(huán)負責第一機架的長期厚度誤差。第一機架后的剩余誤差通過測厚儀h1記錄，統(tǒng)計分析生成一個平均的厚度誤差。這個平均的厚度誤差就被轉換成適當?shù)乃俣刃拚凳┘佑谌肟趶埦o輥。就如下式：

式中：h1=第一機架后的厚度

Δh1=第一機架后的厚度誤差

在隨動控制環(huán)（follow-upcontrolloop）中這個平均值取自一個具體板帶長度上的測量的厚度誤差。如出口測厚儀和輥縫之間的距離。產(chǎn)生的修正量通過運轉控制器工具應用于執(zhí)行機構。這個運轉控制器被優(yōu)化調節(jié)，使之與輥縫中軋制點和測厚儀中測量點之間的延遲所決定的被控系統(tǒng)的特征相協(xié)調。它產(chǎn)生修正值直到出口厚度誤差為零。出口測厚儀記錄剩余在已軋制板帶上的誤差。

由于誤差是在輥縫后被測量，短時誤差不可能通過反饋控制被矯正。測厚儀的實際值由測厚儀時間常數(shù)和附加的依賴于速度的延遲時間決定。輥縫和測厚儀之間的距離越短，一個反饋厚度控制環(huán)的質量越好。

2　軋機張力控制系統(tǒng)

機架之間的帶鋼張力為軋制工藝提供了一個很重要的系統(tǒng)狀態(tài)，以及保證了出口厚度的調節(jié)。因此期望一個高質量的帶鋼張力狀態(tài)調節(jié)系統(tǒng)，機架張力控制調節(jié)回路的一個前提條件是取決于過程計算機的道次數(shù)據(jù)，它保證了冷軋最佳的軋制工藝，從而能夠滿足一個良好的動態(tài)、靜態(tài)張力,這樣就能隨時跟蹤變化的設定值，對張力波動能迅速調節(jié)。此外，還能避免內外部干擾引發(fā)的張力波動。張力調節(jié)系統(tǒng)通常作用在相對應的機架的傳動系統(tǒng)或者液壓壓下輥縫控制系統(tǒng)中。例如冷軋主要產(chǎn)品是薄板，厚度在0.25與2.0mm之間，厚度偏差在±1%以下，可想而知，這對要求大張力控制的連軋機，提出了非常嚴格的張力控制要求，如果張力稍有不妥，就會造成頻繁的斷帶，從而影響生產(chǎn)，影響設備的運轉。

軋機張力控制的幾種不同情況：

（1）入口張力。目前在冷軋機上，主要采用擴展物流平衡控制方式。在擴展的物流平衡控制中，從軋機起動至穿帶速度時，軋機以常規(guī)的物流平衡方式進行工作，軋機的液壓壓下系統(tǒng)工作在軋制力控制方式下；當軋機起動至穿帶速度時，軋機的液壓壓下系統(tǒng)切換成位置控制方式，軋機也從常規(guī)的物流平衡方式切換成擴展物流平衡控制方式。這樣S輥與1#機架之間的入口張力由兩個不同的控制階段，即從建立靜張力至達到穿帶速度時，入口張力恒定通過S輥力矩調節(jié)來實現(xiàn)；當機架的液壓壓下系統(tǒng)切換成位置控制方式后，入口張力通過張力調節(jié)系統(tǒng)作用在1＃機架壓下上來實現(xiàn)恒定，此時S輥由力矩控制切換到速度控制。

為了保持物流平衡，以及保證入口張力恒定，在S輥的力矩控制方式下，入口S輥必須減速，這樣S輥的實際速度與原來的給定速度相差較大。但當軋機從常規(guī)的物流平衡方式切換成擴展物流平衡控制方式后，S輥的調節(jié)系統(tǒng)也從力矩控制變?yōu)樗俣瓤刂?，雖然也有切換的過渡過程，但由于速度實際值與設定值相差較大，為了保持張力恒定，在入口張力系統(tǒng)的作用下，1＃機架軋制力迅速降低，從而影響了后面機架的張力，造成起動困難，嚴重時造成起動斷帶、軋輥劃傷等后果。為了保證軋機能正常起動，現(xiàn)在達到穿帶速度時，繼續(xù)保持1＃機架的軋制力及S輥的力矩控制方式，等到厚帶頭切換時才一起切換，雖然也會發(fā)生一些軋制力、張力的波動，但基本避免了穿帶速度切換時的缺陷，保證了軋機的正常起動。

（2）4#、5#機架間張力。張力控制系統(tǒng)具有下列A、B、C三種方式：

MODEA。這個控制模式被用于較厚/較軟的板帶。利用秒流量關系施加一個速度修正值到最末機架。最末機架和相鄰機架間的張力保持恒定,這樣一個正的速度修正值(要求補償一個正的厚度誤差)產(chǎn)生正的軋制力修正值在最末機架,從而也降低厚度。

MODEB。軋機在采用MODEB方式正常軋制時，張力調節(jié)系統(tǒng)也是采用TVG控制方式，張力調節(jié)系統(tǒng)作用在5#機架的壓下上，但該方式的特點是：允許張力在一定的范圍內波動，只有在超出該范圍后，才給予調節(jié)。這個模式用于較硬/較薄的板帶。這里軋制力的改變產(chǎn)生的軋輥變形比板帶變形更大。在模式A中,一個速度修正量施加于最末機架。然而,在這種情況下,機架間的張力是松弛的,因此在最末機架一個速度增量引起一個反張力的增量,從而產(chǎn)生厚度降。如果機架間的張力超過它的限幅,厚度修正立即嘗試施加于輥縫控制。

MODEC。在這種情況下,最末機架的相鄰機架實現(xiàn)要求的厚度最末機架被用于光整機架。最末機架的軋制力保持一個恒定值。通過在最末兩機架間施加一個速度修正量,來控制最末兩機架間的張力。速度控制作用在最末機架的相鄰機架上。為了保持與最末機架的速度關系,源于厚度控制的速度誤差也必須被用于最末機架的速度控制。

通常在軋制汽車板時，軋機采用MODEC方式運行，在該方式運行時，帶鋼的變形量已在前面機架完成，5#機架的壓下量很小，并且為恒軋制力控制方式（主要做平整機用）。在該方式下，就不能采用改變下一個機架的壓下的TVG控制方式，使“恒軋制力”遭到破壞，因此只能采用TVD控制方式，4#、5#機架間的張力通過調節(jié)4#機架速度的方法來保持恒定。

3　結束語

機架間張力和板帶厚度是代表著一個金屬形成過程中的一對物理量，張力調節(jié)器配置是基于恒定物流平衡原理。在恒定材料密度和恒定帶寬，恒定“秒流量”就簡化為一個恒定體積。因此，物流控制和機架間的張力控制是冷軋機控制的關鍵因素,以恒定張力控制為前提通過物流控制原理,達到對板帶厚度、板形和質量的良好控制.生產(chǎn)實踐表明，該生產(chǎn)線具有世界先進的控制技術，設備裝備精良。生產(chǎn)出的冷軋板質量，完全達到了設計要求。

參考文獻：

[1]唐謀風.現(xiàn)代帶鋼冷連軋機的自動化[M].北京:冶金工業(yè)出版社.